(完整版)生物电池

生物燃料电池的原理和实现随着全球能源需求的不断增长，越来越多的国家开始尝试寻找新的、环保的能源解决方案，其中之一就是生物燃料电池。

本文将阐述生物燃料电池的原理和实现。

一、生物燃料电池的原理生物燃料电池又称为微生物燃料电池，它是一种利用微生物代谢能力将有机废弃物等生物质转化为电能的设备。

其原理主要是通过微生物酶催化对有机废弃物进行分解和氧化，产生电子，随后将电子通过外接电路输出电能。

生物燃料电池的核心部件是阳极和阴极。

阳极通常由物理和化学方法制备的碳纤维织物或碳纳米管组成，阴极则是由金属或某些电催化物制成的。

在阳极上，微生物分泌的酶催化废物产生电子并释放质子，随后电子通过外接电路出流至阴极，形成电势差。

在阴极部分，电子和氧气结合，形成水和热能。

生物燃料电池还可以通过改变阳极和阴极的操作方式来产生更多的电力。

例如，通过缩小阳极和阴极的距离，可以减少电解质的浓度并增加电流密度，从而提高产生电能的效率。

二、生物燃料电池的实现根据不同的工作原理和出发点，生物燃料电池可以分为多种不同的类型。

常见的有微生物燃料电池、生物燃料电池和微型生物电池等。

微生物燃料电池的实现主要是通过将含有微生物的有机废弃物，如食品残渣、废水等，与阳极接触，然后通过外接电路输出电能。

该类型电池实现异常简单，仅需要一些基础的电路和模块就可以制造。

此外，微生物燃料电池不需要外部供电，操作简单，具有较高的实用价值。

生物燃料电池的实现则更加复杂。

该类型电池需要一定的工作原料和条件，如氧气等，从而使得其在实际应用中存在一定的局限性。

然而，生物燃料电池的功率输出大，正常工作时产生大量的电能，因此具有更广泛的应用前景。

微型生物电池的实现是通过微型技术的应用，如微流控技术，实现在微型尺度内的电化学过程。

由于微生物与电化学计量体系的结合，微型生物电池的结构和工艺比常规生物燃料电池更为先进。

总之，生物燃料电池是一种十分有前途的能源探索方向。

尽管目前其实际应用还处于起步阶段，仍需要不断完善和改进，但是相信大家可以想象到未来它的无限可能性。

生物电池的工作原理
生物电池是一种以微生物代替传统金属电极的新型电池，它的工作原理主要基于微生物代谢过程中的电化学反应。

生物电池通过微生物的代谢活动将化学能转换为电能，这使得生物电池在环保和可持续发展方面具有很大的优势。

生物电池的基本结构由两个电极和微生物组成。

其中一个电极叫作阳极，另一个电极叫阴极。

阳极通常由含有微生物的细菌沉淀物和导电材料组成。

阴极则由传统的金属电极构成。

两个电极之间，存在一个被称为盐桥的电解质介质，它是在阳极和阴极上分别注入水溶液或其他液态介质。

生物电池的工作原理可以分为两个阶段：微生物有机物氧化作用和电荷传递。

首先，微生物有机物氧化作用是指微生物在阳极的生长过程中利用有机物质作为其代谢过程中电子的供给来源。

这个过程会释放出电子，其中一部分电子会通过导电材料和阳极界面上的电极反应，产生电流，并转移到阴极。

这个过程是由活性微生物群落中的细菌完成的。

在第二个阶段中，电子传递过程发生在盐桥中。

阴极上的电子与阳极上的氧化物结合，同时将阴极上的还原剂物质还原成电子。

在盐桥中的离子传输控制着氧化还原反应，同时通过这个过程，微生物在代谢过程中所产生的化学能被转换为电能。

总的来说，生物电池是一种利用微生物代谢活动产生电能的新型电池。

它的工作
原理基于微生物代谢产生的化学反应和电子传递过程，实现了将化学能转化为电能的过程。

生物电池在环保和可持续发展方面具有很大的优势，因为它可以利用许多有机废物作为能量来源，同时减少对环境的污染。

在未来，生物电池有望推动能源领域技术的进一步发展，推进可持续发展的理念。

生物电池原理生物电池是一种利用生物体内的化学能转化为电能的装置。

它是一种新型的可再生能源技术，具有环保、高效、低成本等优点，因此备受关注。

生物电池的原理是利用微生物或生物体内的酶类来催化氧化还原反应，从而产生电能。

生物电池的工作原理主要分为阳极反应和阴极反应两个部分。

在阳极反应中，微生物或生物体内的酶类催化底物氧化产生电子，并将电子传递给电极表面，从而形成阳极电流。

而在阴极反应中，电子通过外部电路流向阴极，与氧气发生还原反应，生成水。

整个过程中，阳极和阴极之间通过外部电路形成闭合回路，电子流动产生电能。

生物电池的核心是微生物或生物体内的酶类。

微生物在生物电池中扮演着催化剂的角色，它们能够将有机底物氧化成为二氧化碳和电子，从而产生电能。

而生物体内的酶类也具有类似的催化作用，能够促进氧化还原反应的进行。

这些微生物和酶类的活性对于生物电池的性能起着至关重要的作用。

生物电池的优点之一是其环保性。

与传统化石能源相比，生物电池不会产生二氧化碳等温室气体，对环境的影响更小。

同时，生物电池可以利用废弃物和污水等有机物作为底物，实现资源的再利用和减少废物排放。

这使得生物电池成为一种可持续发展的能源技术。

另外，生物电池还具有高效和低成本的特点。

由于生物电池利用微生物或生物体内的酶类来催化反应，相比传统化石能源的开采和利用过程，生物电池的能量转化效率更高。

而且，生物电池的制造成本相对较低，可以通过简单的生物反应器和电极系统来实现电能的产生，这为其在实际应用中提供了更多的可能性。

总的来说，生物电池是一种具有巨大潜力的可再生能源技术。

通过利用微生物和生物体内的酶类来催化氧化还原反应，生物电池能够产生电能，并具有环保、高效、低成本等优点。

随着生物电池技术的不断发展和完善，相信它将在未来的能源领域发挥越来越重要的作用。

生物电池原理
生物电池是一种利用微生物代谢活动产生电能的装置，其原理是通过微生物的代谢活动将有机物质氧化成无机物质，从而释放出电子，通过外部电路形成电流，实现能量转换。

生物电池的原理主要包括微生物代谢、电子传递和电化学反应三个方面。

首先，微生物代谢是生物电池能够产生电能的基础。

微生物在代谢有机物质的过程中，会释放出电子和质子。

这些电子和质子通过微生物的细胞膜传递到外部电极表面，形成电流。

常见的微生物包括细菌、真菌和藻类等，它们通过不同的代谢途径参与生物电池的电子传递过程。

其次，电子传递是生物电池能够实现能量转换的关键环节。

在微生物代谢有机物质的过程中，产生的电子通过细胞内的电子传递链传递到细胞膜上。

然后，这些电子通过外部电极传递到另一侧，形成电流。

在这个过程中，电子传递链中的细胞色素和酶类物质发挥着重要作用，促进电子的传递和释放。

最后，电化学反应是生物电池中产生电能的最终过程。

当电子通过外部电路传递到另一侧电极时，会与氧气或其他氧化剂发生氧
化还原反应，从而释放出能量。

这种反应产生的电能可以被外部电路捕获和利用，实现能量转换和利用。

综上所述，生物电池的原理是通过微生物的代谢活动产生电子和质子，通过电子传递链将电子传递到外部电极，最终通过电化学反应释放能量并产生电流。

生物电池作为一种可再生能源装置，具有环保、可持续等优点，在废水处理、生物能源等领域有着广泛的应用前景。

随着生物电池技术的不断发展和完善，相信其在能源领域的应用将会更加广泛和深入。

生物燃料电池的原理及其应用生物燃料电池（Biofuel Cell）是一种新型的电化学能源转换器，它的燃料是生物质、有机废物、葡萄糖等生物性载体，是一种“绿色能源”，具有很强的应用前景。

本文将介绍生物燃料电池的原理、特点及应用。

一、生物燃料电池的原理生物燃料电池主要是利用三个微生物相互协作来完成电解的过程，即“生物阳极”、“生物阴极”和“电解质”三个元素。

生物阳极是由微生物或其代谢产物构成的，如细菌、酵母、真菌等微生物。

生物阴极则是一种电化学催化剂，可以促进电子的传输和反应。

而电解质则是连接阳极和阴极的介质，起到传递离子的作用。

生物阳极的基本原理是在一个含有生物阳极微生物的电极表面上，将有机废物通过微生物的代谢反应改变成电子，电子随后传输到阴极上，并在阴极上与氧反应生成水。

整个过程中，电子的传输由生物阳极微生物代谢产生的酶催化和外部电压的作用来促进。

生物阴极的基本原理是利用催化剂催化产氧电极上的氧气还原成为水。

在阴极上，氧气被吸附在电极表面上，接受电子并与水合成气体。

这个过程被称为氧还原反应（ORR）。

当催化剂存在于阴极上时，氧气分子被催化剂催化来接受电子，并使反应更加容易进行。

电解质则是为生物燃料电池提供离子传输的介质。

主要是通过离子交换膜或直接加入电解质来实现。

二、生物燃料电池的特点生物燃料电池与传统燃料电池相比，有以下几个特点：1、燃料源广泛：可以利用葡萄糖、淀粉、木质素、生物质和有机废物等用作燃料，因此具有良好的环境可持续性。

2、低成本：相对于石油等化石燃料，生物燃料电池的燃料成本更为低廉。

3、低污染：生物燃料电池的废物是水，对环境污染轻微，符合环保理念。

4、生物燃料电池本身的组成比较简单，且能够在不同介质中运行，如液态，半固态，以及气态等，全方位的运行方式给其应用带来了很多便利。

三、生物燃料电池的应用1、生物燃料电池可以制备出电量稳定的微型电池，可以应用在微型传感器、微型医疗设备和其他物联网设备中。

MFC1. 什么是生物燃料电池（MFC)(07/17/2007)从生物/微生物中提取电能在20世纪初就被发现,直到20世纪70年代陆续有研究文章发表.1980年开始,一些英国的研究者做了不少关于微生物燃料电池(microbial fuel cell---MFC)研究,持续了10年. 到90年代末,美国的一些研究者把这个题目找出来逐步"发扬光大"。

可能因为能源危机的问题,现在MFC的研究表现的越来越热.在这方面做的比较好的是比利时的一个研究组,他们的电池功率目前是最高的.Penn State的Bruce Logan发表的文章最多. 另外Umass的DR Lovley刚拿到一个huge grant $ 23 M, 估计接下来的几年会做出不少的东西.MFC和Fuel cell显著的区别就是anode: MFC在anode里用微生物或者生物酶做催化剂,一般没有Pt.因为生物的存在,anode的温度就不可能很高,一般MFC的运行温度在室温和37C之间.燃料则是"有机物",用于microbe生长. microbes在降解有机物(比如葡萄糖)的时候,产生protons 和electrons,其余的原理就和fuel cell一样了.MFC的cathode也用Pt或者其他化学药品(例如ferricyanide) 来促进反应. MFC产生的功率远小于Fuel cell,最高也就是几W/m2,现在可能提高了一些. 因为MFC和fuel cell应用不同,所以不需要那么高的功率输出. 另外,MFC可能会用于大型反应器,所以anode 的电极不大会用carbon paper,而用一些表面机更大的,象graphite granular;现在计算MFC功率的时候,一般用anode volume (W/m3),而不是电极表面积. MFC 的future application可能是废水处理过程,因为废水可以提供"免费"的有机物让微生物来降解,并且产生电能,一箭双雕. 目前废水处理过程也产生能量,比如甲烷气(methane). 因为methane还需要额外的步骤来发电,而MFC可以一步到位,所以如果MFC可以有high efficiency,比传统的废水处理过程要有不少优势(如果可以达到高效的话).MFC2. 微生物燃料电池中生物阴极的应用(09/04/2007)发展背景微生物燃料电池(microbial fuel cell - MFC)是一种特殊的电化学电池. 它通过微生物在阳极降解有机物产生电子. 而在阴极, 阳极产生的电子和正离子还原氧气,最终产物为水. 电子从阳极到阴极的传输产生电流. 第一个生物电流的实验证明是在十八世纪晚期,Luigi Galvani发现,当用金属导体把青蛙腿连接起来的时候, 有电流反应产生. 为了进一步研究生物电流, Michael C. Potter在1911年建立了第一个微生物燃料电池. 1931年, Barnett Cohen发现在阳极加入铁氰化钾(potassium ferricyanide) 或者苯醌(benzoquinone) 作为电子传输中介物,可以提高电流. 虽然在二十世纪六十年代微生物燃料电池成为一个研究热点, 但是研究人员还无法成功地建造一个可以持续运行的实验装置. 八十年代,英国的研究人员H. Peter Bennetto 成功利用单种细菌和电子传输中介物通过氧化有机物来发电. 同时, 日本的研究人员发现光合自养型的细菌可以把光能转化成电能. 在过去的十年中,因为全球能源危机问题, 微生物燃料电池引起了越来越广泛的关注. 研究的方向包括理解电子传输的机理和建造实用的反应器装置.非生物阴极非生物阴极大多利用氧气为最终电子接收物,也有研究过氧化氢作为阴极氧化物. 因为氧气还原效率在碳/石墨表面很低, 所以通常情况下,阴极反应需要催化剂或者电子传输中介物. 铂是目前使用最广泛的阴极催化剂,但是其材料昂贵, 催化性能容易被一些特殊物质污染.另外, 微生物燃料电池阴极溶液的pH值会随反应而升高, 从而限制铂的催化能力. 电子传输中介物大多是一些含有过渡金属的化合物,比如含铁和钴的物质.生物阴极传统的微生物燃料电池是”半生物性的”,因为只有阳极存在生物反应,而阴极通常采用金属催化剂来完成还原氧气的反应. 但是, 微生物在阴极的生长是不可避免的. 研究人员已经发现了几种在阴极的生物新陈代谢过程,为研究生物阴极开启了大门. 相比于非生物阴极,生物阴极有如下优点: (一) 建造和运行微生物燃料电池的费用可能被降低,因为不再需要贵重金属催化剂, 也不需要添加化合物来作为电子传输中介; (二) 生物阴极可以提高微生物燃料电池的可持续性; (三) 生物阴极里的微生物活动可以被用来产生有用的物质或者去处污染物. 总的说来,生物阴极可以被分为好氧(氧气为最终电子接受物)和厌氧(其他非氧气物质为最终电子接受物)生物阴极.好氧生物阴极氧气是应用最广泛的阴极电子接受物. 氧气有很高的氧化还原电位, 而且大量存在于空气中,降低了使用费用. 好氧生物阴极的一个研究重点是利用过渡金属化合物, 包括锰和铁,协助电子从阴极传输过氧气. 高价位的金属充当临时电子接受物, 从阴极接受电子,通过微生物的”呼吸作用”被还原成低价位金属. 然后低价位的金属被氧气氧化回到高价位, 将电子传输给氧气. 在这个循环过程中,电子从阴极被传送到氧气. 另一种好氧生物阴极则是通过藻类的光合作用为阴极反应提供氧气. 实际应用中, 上述的这些机理可能同时发生. 例如, 研究人员发现海洋生物膜可以提高氧气还原效率. 在这个过程中, 锰化物可能参与电子传输; 另外,藻类的生长也不可避免.厌氧生物阴极在没有氧气的时候,其他物质, 例如硝酸盐,硫酸盐,铁化物和锰化物, 也可以作为最终电子接受物. 其中, 硝酸盐,铁化物和锰化物具有接近氧气的新陈代谢活性,是潜在的替代氧气的阴极电子接受物. 厌氧生物阴极的一个优点就是可以防止氧气通过正离子交换膜渗透到阳极,从而影响到阳极的厌氧微生物生长. 目前为止, 只有硝酸盐和硫酸盐被用于研究. 硝酸盐(+0.74Ｖ)的氧化还原电位比硫酸盐（-0.22V）更接近氧气(+0.82V), 所以更适合做为阴极电子接受物. 利用硝酸盐进行阴极反应, 与硝化反应类似,唯一不同的地方是, 硝化反应通过氧化有机物得到电子, 而生物阴极则依靠阴极供给电子. 比利时的研究人员已经成功将硝酸盐用于阴极的还原反应, 为微生物燃料电池应用在污水处理中的可行性提供了进一步的实验证明.小结生物阴极是一项使微生物燃料电池更具优势和可持续性的技术. 在实现这项技术之前, 我们必须理解阴极的生物电子传输机制, 以便于更合理地选择和利用微生物.MFC3. 微生物燃料电池中的共生现象(09/18/2007)共生现象在自然界普遍存在, 比如动物体内的寄生细菌降解一些动物肠胃无法消化的物质,同时也获取用于自身生长的能量. 再比如, 一种小鸟从鳄鱼的嘴中获取食物, 即帮助鳄鱼清洁了牙齿,同时也利用鳄鱼的嘴做为保护自己的场所, 两者和睦相处. 共生现象有几种类别, 有双方彼此都受益的,也有一方受益另一方不受益, 甚至还有一方受益而另一方受害的. 在废水处理中, 也存在共生现象. 一个典型的代表就是厌氧消化过程中,发酵细菌将复杂的碳水化合物分解成相对简单的有机物(酸). 这些发酵产物随后被其他细菌消食, 例如,醋酸化合物可以被甲烷菌(注: 严格意义上, 甲烷菌不是细菌-bacteria, 而是archaea)利用产生甲烷气体. 微生物燃料电池的阳极类似于废水处理中的厌氧消化过程, 因此, 微生物之间的共生现象不可避免. 最近, 宾州州立大学和麻省大学艾莫斯特分校的研究人员先后发表论文, 从不同的角度研究和探讨了阳极的共生现象.宾州州立大学的研究人员利用细菌Clostridium cellulolyticum分解纤维素, 其产物被另一种细菌Geobacter sulfurreducens用于厌氧呼吸(anaerobic respiration), 产生电子和电流. 纤维素是一种富含有机物的生物物质, 也是一种潜在的生物能源(bioenergy)的载体. 但是它很难被直接利用,需要进行预处理和水解成为简单的碳水化合物,比如葡萄糖. 只有很少的一些微生物(bacteria and fungi)或者特殊的生物酶可以水解纤维素, 产物包括氢气, 醋酸物和乙醇. Clostridium是一种专性厌氧细菌, 因其降解纤维素的特殊能力而受到工业届的广泛重视. 在这项研究中, 科研人员设计了对照实验, 证明C. cellulolyticum可以分解纤维素,但无法产生电流; G. sulfurreducen无法利用纤维素生长,因而也没有电流产生. 但是,当把两种细菌混合起来的时候,微生物燃料电池产生出了电流. 而且, 当G. sulfurreducen存在的时候, 纤维素(carboxymethyl cellulose-CMC)的降解效率比C. cellulolyticum单独生长的时候提高了18%. 这项研究的创新之举在于首次利用特殊的细菌在微生物燃料电池降解非水溶性的有机物, 并且用实验展示了两种细菌在发电过程中的共生关系. 此外, 实验结果也进一步论证了发酵过程和厌氧呼吸过程的结合可能比单一菌种的活动更加有利于能量的产生.麻省大学艾莫斯特分校的研究则是关于两种都可以进行厌氧呼吸,利用三价铁做为电子接受物的细菌, Geobacter sulfurreducens和Pelobacter carbinolicus. 前者是已知的可以发电的细菌, 而后者被大量发现于建立在水沉积物中的微生物燃料电池的阳极上. 通常意义上, 可以还原三价铁氧化物的细菌都可以利用阳极作为电子接受物, 但是实验结果表明P. carbinolicus基本不具备这样的能力. 科研人员发现, 当乙醇作为微生物燃料电池的燃料, G. sulfurreducens不能够代谢这种燃料; P. carbinolicus可以将乙醇用于生长,但是不能产生电流. 混合生长的时候, 乙醇被P. carbinolicus转化为氢气和醋酸物, 然后G. sulfurreducens 利用这些产物发电. 共焦显微镜(confocal)和对16S rRNA基因的分析表明, 两种细菌在阳极表面的数量几乎相等, 但是在阳极水溶液中, 绝大多数是P. carbinolicus. P. carbinolicus 是第一种可以还原三价铁氧化物却不能在微生物燃料电池中产生电流的细菌. 与其他可以产生电流的细菌相比, P. carbinolicus缺乏外细胞膜的细胞色素(cytochrome), 一种被认为是连接细胞内部和阳极的可导电的蛋白质.微生物燃料电池研究的一个关键问题就是理解阳极微生物的活动和它们之间的相互作用. 利用单一菌种(pure culture)来研究共生现象将对认识阳极微生物的新陈代谢和电子传输过程有重要的帮助.MFC 4. 沉积物微生物燃料电池工作原理沉积物微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell) 的工作原理与微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell) 类似, 但是反应器结构要简单很多. 在沉积物微生物燃料电池中, 作为阳极的电极被埋在水底沉积物的浅层中(1-10厘米深), 而作为阴极的电极则悬于阳极上方的水中. 不同于常规的微生物燃料电池, 沉积物微生物燃料电池不需要使用离子交换膜将阳极和阴极分开, 而是利用水中溶解氧浓度由浅至深逐渐减少自然地把阳极和阴极分成缺氧区和有氧区. 因此, 在沉积物和水体的界面上自然形成了一个氧化还原的梯度, 使阴,阳电极之间可以产生大约0.7 V的开路电压. 水底沉积物含有多种厌氧细菌, 可以将经过多年沉降积累的有机物分解, 并把电子传输给阳极. 而悬在含溶解氧相对高的水中的阴极则接受电子, 完成氧气还原反应. 一些特殊的沉积物微生物燃料电池采用牺牲阳极和生物阴极(参见下文).优缺点沉积物微生物燃料电池的优点就是结构简单, 不需要太多的维护, 建造和运行费用低. 在自然水体中的长期运行会在阴极形成生物膜, 有可能帮助氧气还原反应. 但是,沉积物微生物燃料电池一般都不使用阴极催化剂, 而且沉积物中的有机物含量有限, 所以其功率输出也很有限. 沉积物微生物燃料电池的运行条件不象其他微生物燃料电池那样得到严格的控制, 在自然条件下会产生波动, 也会影响到功率输出. 此外, 因为水中溶解氧浓度随着水深不断降低, 沉积物微生物燃料电池不可能应用于太深的水体中, 也就是说, 不可能应用于离陆地太远的水体中. 华盛顿大学(圣路易斯) 的研究人员设计了一种可旋转的阴电极, 希望利用水流或者海潮来推动阴极旋转, 通过旋转将空气中的氧气带入水中, 提高阴极附近的溶解氧浓度.实际应用因为输出功率低, 沉积物微生物燃料电池的应用大多是为远程监测仪器提供电能. 这类电子设备不需要太高的电能, 也不需要频繁地维护. 尽管如此, 它依然是微生物燃料电池中最有可能在短期内投入到实际应用中的一种. 美国海军研究实验室已经研制开发了一种沉积物微生物燃料电池, 称为Benthic Unattended Generator, 简称BUG. 这种BUG被放置在河水或者海水底部, 为监测空气温度, 气压, 相对湿度和水温的电子仪器提供电能, 数据通过无线发射器(也由BUG 提供电能) 传输到附近的海军研究实验室. 蒙大拿州立大学的研究人员设计了一种由金属镁作为牺牲阳极, 和生物沉积锰化物作为阴极的沉积物微生物燃料电池. 该电池被设置在河底, 为一个无线传感器提供电能. 随着对微生物燃料电池的认识的不断加深和越来越广泛的新材料应用, 沉积物微生物燃料电池还可能被用做生物修复, 或者生态修复的一种手段.MFC5 微生物燃料电池阳极的电子传输机制生物燃料的前景因其潜在的环境影响和原材料来源等问题受到科学届的质疑. 但是, 随着储量有限的fossil fuel不断消耗, 寻求可再生能源成为全球性的紧急问题. 未来可替代性的能源组成应该是多元化的, 能源需求应该被多种形式分担, 既包括某些可提供大规模长期能源的形式, 也包括可提供局部小规模需求的形式.微生物燃料电池(microbial fuel cell – MFC) 是一种新型的”废水–能源” 转化方式. MFC的”原材料”是废水和废物, 不存在与人类争夺粮食(比如,生物乙醇的生产)的问题; 其过程也是清洁环境的过程, 因此它的环境影响是积极的. MFC不可能成为主要的能源提供者, 但是满足局部小规模的能源需求还是可行的. 目前, MFC研究的最主要问题就是理解微生物与电极(阳极; 绝对大部分阴极都是非生物性的)之间的相互作用(电子传输过程), 这是进一步提高MFC功率输出的基础. 虽然具体的电子传输机制还不是十分清楚, 但是在大体上,研究人员总结了两种电子传输机制: 直接电子传输(direct electron transfer – DET) 和间接电子传输(mediated electron transfer – MET). 笔者认为, 电子传输机制还可以按照另一种方式分类: 微生物的新陈代谢过程, 即, 微生物是否通过电子传输获得自身生长的能量. 电子传输实际上就是微生物的呼吸过程(respiration). 就好象人要通过呼吸氧气生存,微生物也需要通过”呼吸过程”获得生长的能量. 在这个过程中, 微生物分解有机和无机物质(electron donor), 产生电子, 并传输到最终电子接受物(terminal electron acceptor). 对于好氧微生物来说, 最终电子接受物为氧气; 而厌氧微生物的最终电子接受物为(亚)硝酸盐,(亚)硫酸盐,金属化合物和二氧化碳等等. 在MFC的阳极,电子接受物则为电极.当微生物可以通过”呼吸”阳极获得生长的能量, 同时产生电流时, 它们可以通过DET或者MET 来传输电子. 在DET过程中, 细菌和电极有直接的接触,并利用细胞外膜的可导电性的蛋白质作为电子中介物,将电子传输到电极上. 研究人员发现, Geobacter的一些菌种在利用电极生长的时候, 某些细胞外膜蛋白(outer membrane protein)有很高的表达, 意味着这些蛋白质可能做为电子传输的中介物. 此外, Geobacter 和Shewanella的某些菌种会产生一种可导电的纳米线(nanowire),既可以连接临近的细菌形成生物膜结构, 还可以传导细菌新陈代谢产生的电子. 通过nanowire, 距离电极一定距离的细菌也有可能参与到MFC的电流产生过程中. MET是另一种主要的电子传输过程, 因为可以利用电子中介物质(electron mediator)传输电子, 细菌不需要和电极有直接的接触. 早期的研究主要通过添加人工合成的化学物质来提高电流输出, 间接证明了电子中介物质的作用. 近年来, 研究人员发现Pseudomonas aeruginosa 可以产生自己的电子中介物- pyocyanin. 当相关的基因被删除后, 电流产量下降很多. 阳极可以诱导pyocyanin的产生. 细菌重复利用这种电子中介物至少11次.在阳极生长的微生物中, 也有很多细菌不能进行”电极呼吸”, 但是它们可以通过新陈代谢的产物间接地参与到电流产生的过程中. 这些产物可以和阳极进行非生物性反应, 从而产生电子以及电流. 在对Bacteroides thetaiotaomicron的研究中, 科研人员发现, 当这种细菌在阳极生长的时候, MFC的电流显著增长, 减缓细菌生长的同时也降低了电流产生. 但是, 基因芯片(DNA Chip)的对比分析显示, 无论细菌是否生长在MFC的阳极上, 其基因表达都没有显著差别, 表明这种细菌不能利用阳极作为电子接受物, 因而也不可以进行”电极呼吸”. 其生长与电流产生之间的关系, 可能是由于新陈代谢产物与电极之间的非生物反应形成的.对于研究电子传输机制, 使用单一菌种有很多优势. 但是, 在一个复杂的阳极环境中(含有多种微生物的菌群), 电子传输的机制不是唯一的, 可能是上述几种过程的混合.前言生物燃料电池是燃料电池中特殊的一类。